(57)【要約】【課題】  プロセスを簡素化し、多種多様な機能性微細構造物を流路内に容易に且つ安価に作製できるようにする。【解決手段】  ガラス基板１０の表面に、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部１６を形成し、ウエットエッチングすることにより、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して、流路２２内に機能性微細構造２４を形成する。微細構造は、流路と同時に形成することもできるし、別々に形成することもできる。流路は、微細構造と同様、ガラス基板の表面の流路形成領域の輪郭に沿って線状の応力影響残留部を形成し、エッチングで形成するのが好ましい。【選択図】  図１
2005230647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエットエッチングによって第１ガラス基板の表面に開放型流路を形成し、該開放型流路を第２ガラス基板で覆ってパイプ状流路を形成し、該パイプ状流路内に機能性微細構造を形成するマイクロ流路の作製方法であって、
前記機能性微細構造については、前記第１ガラス基板及び／又は前記第２ガラス基板の表面に、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部を形成し、その後ウエットエッチングすることにより、前記応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して形成することを特徴とするマイクロ流路の作製方法。
【請求項２】
前記開放型流路については、前記第１ガラス基板の流路形成領域の輪郭に沿って線状の応力影響残留部を形成し、その後ウエットエッチングすることにより、前記応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して形成し、土手形式の開放型流路とする請求項１記載のマイクロ流路の作製方法。
【請求項３】
前記開放型流路については、前記第１ガラス基板の流路形成領域の輪郭に沿ってマスキングし、その後ウエットエッチングすることにより掘り下げ形式の開放型流路を形成する請求項１記載のマイクロ流路の作製方法。
【請求項４】
前記機能性微細構造を形成するウエットエッチングと、開放型流路を形成するウエットエッチングとを、同時に行う請求項２又は３記載のマイクロ流路の作製方法。
【請求項５】
前記機能性微細構造を形成する工程と、前記開放型流路を形成する工程とを、別工程で行う請求項２又は３記載のマイクロ流路の作製方法。
【請求項６】
前記機能性微細構造については、前記第１ガラス基板の表面に形成する請求項１記載のマイクロ流路の作製方法。
【請求項７】
前記機能性微細構造については、前記第２ガラス基板の表面に形成する請求項１記載のマイクロ流路の作製方法。
【請求項８】
ウエットエッチングによってガラス基板の表面に、開放型流路と該流路内に位置する機能性微細構造を形成するマイクロ流路の作製方法において、
前記機能性微細構造については、前記ガラス基板の表面に、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部を形成し、その後ウエットエッチングすることにより、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して形成することを特徴とするマイクロ流路の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内に機能性微細構造を有するマイクロ流路の作製方法に関し、更に詳しく述べると、ガラス基板の表面に微細な応力影響残留部を形成し、その後ウエットエッチングすることにより、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して、機能性微細構造を形成するマイクロ流路の作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ化学チップは、基板上で反応、分離、抽出、検出などの化学操作が行えるようにした小型デバイスであり、小型化あるいは高能率化などの観点から、近年、開発が進められている。このようなマイクロ化学チップでは、各種の化学操作を可能とするために、基板上に溝や凹部などのマイクロ流路を形成する。そして、そのマイクロ流路内に各種の機能を呈しうる微細構造を形成する。例えば、特許文献１には、液相界面を安定化し２層が安定して流れるようにするガイド条が示されている。特許文献２には、柱状体を配列したフィルタが記載されており、更に特許文献３には、液体を混合する交差・合流部が記載されている。その他、流路抵抗を制御したり、攪拌する構造などについても、研究が進められている。
【０００３】
従来、このような微細構造は周知のフォトリソグラフィ技術を利用して作製している。つまり、基板上に所定パターンのフォトマスクを形成してエッチングを行い、微細な凹凸を形成する方法である。従って、製造工程が多く複雑で、作業時間が長くかかる問題がある。また、それぞれ所定パターンのフォトマスクを必要とするために、少量多品種の生産には不向きでありコスト高となる。
【０００４】
なお、よく用いられるマイクロ流路は、パイプ状流路構造を有しており、ポンプによって液を送っている。また、開放型のマイクロ流路も用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１０２号公報
【特許文献２】特開２００２−２３９３１７号公報
【特許文献３】特開２００３−２２０３２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、上述したフォトリソグラフィを用いた技術では、流路内に微細構造を作り込むに際して、製造工程が複雑で、多種多様な微細構造の形成には不向きな点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ウエットエッチングによって第１ガラス基板の表面に開放型流路を形成し、該開放型流路を第２ガラス基板で覆ってパイプ状流路を形成し、該パイプ状流路内に機能性微細構造を形成するマイクロ流路の作製方法であって、前記機能性微細構造については、前記第１ガラス基板及び／又は前記第２ガラス基板の表面に、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部を形成し、その後ウエットエッチングすることにより、前記応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して形成することを特徴とするマイクロ流路の作製方法である。
【０００８】
また本発明は、ウエットエッチングによってガラス基板の表面に、開放型流路と該流路内に位置する機能性微細構造を形成するマイクロ流路の作製方法において、前記機能性微細構造については、前記ガラス基板の表面に、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部を形成し、その後ウエットエッチングすることにより、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して形成することを特徴とするマイクロ流路の作製方法である。
【０００９】
開放型流路については、流路形成領域の輪郭に沿って線状の応力影響残留部を形成し、その後ウエットエッチングすることにより、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して形成し、土手形式の流路としてもよいし、流路形成領域の輪郭に沿ってマスキングし、その後ウエットエッチングすることにより掘り下げ形式の流路としてもよい。ここで、機能性微細構造を形成するウエットエッチングと流路を形成するウエットエッチングを同時に行うと、工程数を少なくできるため好ましい。しかし、機能性微細構造を形成する工程と流路壁を形成する工程を、別工程で行うこともできる。また、開放型流路と機能性微細構造は、第１と第２ガラス基板のいずれの表面上に形成してもよく、またその組み合わせも自由である。さらに、第１ガラス基板の表面に開放型流路と機能性微細構造とを形成し、第２ガラス基板の表面にこの開放型流路と組み合わされる溝部を形成してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るマイクロ流路の作製方法は、機能性微細構造を、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部を形成し、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用するものであるので、簡単なプロセスで流路内に機能性微細構造を形成することができる。そのため、既存のマイクロ流路内でも機能性微細構造を形成することができるし、機能性微細構造の形成にフォトマスクを必要とせず、多品種少量生産に適し、低コストで短期間内に作製できる。本発明では、応力を加えた形状に追随してエッチングされ難く残った凸部が形成される。通常のマスクを施した場合には無方向的にエッチングされるが、応力印加した部位を含んだ状態の場合には方向性をもってエッチングされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
アルミノシリケートなどのガラス基板の表面の流路形成領域の輪郭に沿って圧子を走査して線状の応力影響残留部を形成する。また、そのガラス基板の表面の流路形成領域に、圧子により押圧力を印加することで所望形状の微細な応力影響残留部を形成する。形状によっては、圧子を線状に走査してもよいし、所望の押圧部を有する圧子で加圧してもよい。その後、ウエットエッチングを行う。応力影響残留部とそれ以外の部分とではエッチングレートが異なり、応力影響残留部はエッチングレートが低いため凸部となって残る。このような方法で、開放型流路を構成する流路壁と、その流路内の機能性微細構造とを同時に形成することができる。なお、流路壁を形成するための圧子の走査と、流路内の機能性微細構造を形成するための圧子の押圧操作の順序は、逆でもよい。
【００１２】
この方法によって、土手構造の開放型流路内に、流路を横切るような堰構造体、流路に平行なあるいは傾いたガイド条構造体、複数の突起状構造体など様々な微細構造を形成することができる。この方法は、マスクレスの簡単な工程で、流路とその中の微細構造とを同時に作製できるため、最も好ましい形態である。これらの微細構造は、その形状と形成位置に応じて流路内で所望の機能を発現させることができる。また、これらの流路及び微細構造は、流体の制御に用いるだけではなく、例えば他のガラス基板等、他の部材の位置合わせ等に用いることも可能である。
【実施例】
【００１３】
図１は、本発明に係るマイクロ流路の作製方法における、一実施例を示す説明図である。以下の図面では、流路の一部のみ拡大して表している。まず図１のＡに示すように、ガラス基板１０の表面の流路形成領域１２の輪郭に沿って線状の第１の応力影響残留部１４を形成すると共に、ガラス基板１０の表面の流路形成領域１２に、圧子により押圧力を印加することで微細な第２の応力影響残留部１６を形成する。第１の応力影響残留部１４の形成と第２の応力影響残留部１６の形成の順序は、自由に変更してよい。
【００１４】
その後、フッ酸などを含むエッチング液に浸漬してエッチングする。すると、応力影響残留部とそれ以外の部分とではエッチングレートが異なるため、図１のＢに示すように、流路壁２０と流路２２中の堰状の微細構造２４が同時に形成される。このようにして、微細構造を有するマイクロ流路が作製できる。図１のＢのｘ１−ｘ１断面及びｘ２−ｘ２断面を、それぞれ図１のＣ及びＤに示す。本実施例のように、線状の応力影響残留部で流路壁を形成した場合には、土手形式（凸条形式）の流路となる。
【００１５】
図２は、本発明に係るマイクロ流路の作製方法における、他の実施例を示す説明図である。まず、図２のＡに示すように、ガラス基板１０の表面の流路形成領域１２に少なくとも一部が含まれるように、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部１６を形成する。次に図２のＢに示すように、ガラス基板１０の表面の流路形成領域の輪郭に沿ってマスク２６を形成する。その後、ウエットエッチングすることにより、図２のＣに示すように、マスキング部により流路壁２８を形成すると共に、応力影響残留部に対応して堰状の微細構造３０を流路２２中に同時に形成することができる。図２のＣのｘ３−ｘ３断面及びｘ４−ｘ４断面を、それぞれ図２のＤ及びＥに示す。本実施例のようにマスクを用いた場合には、流路は掘り下げ形式となる。
【００１６】
これらにおいて、ガラス基板の材料としては、アルミノシリケートガラス、ボロシリケートガラス、石英ガラスなどが使用できる。応力影響残留部を線状に形成する場合には、例えば鋭利な先端を有する圧子（ＷＣを主成分とした超硬合金製やＳｉＣ製等の圧子、あるいはカッターやカミソリの刃先など）を走査する方法が好ましく、応力影響残留部を微細な円形や矩形などに形成する場合には、当該の押圧部を有する圧子（超硬合金製、石英製などのいわゆる金型）で押圧する方法が好ましい。
【００１７】
図３は流路の例であり平面形状を示している。流路は、ストレート形状あるいは曲がった形状などの他、Ａに示すような分岐・合流形状、Ｂに示すような液溜め部を有する形状など、任意の形状とすることができ、その内部に各種の微細構造を設けることができる。勿論、ガラス基板上に多数本の流路を形成してもよい。図４は流路２２中の微細構造３２の例であり、長さＬや幅Ｗ（従って平面形状）、高さＨ、流路内の位置（流路壁との間隔Ｇ）などを自由に変えることができる。
【００１８】
図５は微細構造のいくつかの変形例であり、同様に平面形状を示している。微細構造を斜線で示す。例えば、細長状の場合には、流路に垂直に（Ａの符号３４ａ及びＢの符号３４ｂ）、あるいは任意の斜め角度で（Ｃの符号３４ｃ及びＤの符号３４ｄ）形成できる。これらの場合、流路壁に繋がるように形成することもできるし（Ａ及びＣ参照）、流路壁に対して間隙をもつように形成することもできる（Ｂ及びＤ参照）。また、流路に平行に（Ｅの符号３４ｅ）形成することもできる。その他、楔形（Ｆの符号３４ｆ）、菱形（Ｇの符号３４ｇ）に形成することもできるし、複数個点在させる（Ｈの符号３４ｈ）こともできる。いずれにしても、大きさや個数、位置などを自由に変えることができ、これらによって、混合・攪拌、フィルタ、整流など、各種の機能を発現させることができる。
【００１９】
このようなマイクロ流路を備えた基板３６は、そのままでも使用できるし、図６のＡに示すように、平らな第２ガラス基板３８を被せて、パイプ状のマイクロ流路を構成することもできる。また図６のＢに示すように、対称構造のマイクロ流路を備えた２枚のガラス基板３６を貼り合わせて使用することもできる。
【００２０】
図７は、本発明に係るマイクロ流路の作製方法における、更に他の実施例を示す説明図である。まず図７のＡに示すように、ガラス基板１０の表面の流路形成領域１２に、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部を形成し、その後ウエットエッチングすることにより、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して、流路形成領域中に機能性微細構造４０を形成する。次に、ガラス基板１０の表面の流路形成領域１２の輪郭に沿って線状の応力影響残留部１４を形成する。その後、再びウエットエッチングすることにより、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して流路壁２０を形成する（図７のＢ参照）。第２のエッチングでは、微細構造もエッチングされるが、ほぼ相似形で流路２２中に残ることになる。
【００２１】
図８は、本発明に係るマイクロ流路の作製方法における、更に他の実施例を示す説明図である。まず図８のＡに示すように、ガラス基板１０の表面の流路形成領域１２に、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部を形成し、その後ウエットエッチングすることにより、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して、流路形成領域中に機能性微細構造４０を形成する。次に、ガラス基板の表面の流路形成領域の輪郭に沿ってマスク２６を形成し、その後エッチングする。これにより、マスキング部によって流路壁２８を形成する（図８のＣ参照）。この場合も、第２のエッチングでは、微細構造４０もエッチングされるが、ほぼ相似形で流路２２中に残ることになる。
【００２２】
図９は、本発明に係るマイクロ流路の作製方法における、他の実施例を示す説明図である。これは既存の流路内に微細構造を形成する方法である。図９のＡに示すように、ガラス基板１０の表面に形成されている流路２２内に、圧子により押圧力を印加することで微細な応力影響残留部５０を形成する。その後ウエットエッチングすることにより、応力影響残留部とそれ以外の部分とのエッチングレートの違いを利用して、流路２２中に機能性微細構造５２を形成する（図９のＢ参照）。この場合、エッチングによって流路壁５４もエッチングされるが、ほぼ相似形で残る。
【００２３】
なお、本発明において、押圧力を印加する際の温度は、ガラス基板の温度で、室温からガラス転移点程度の範囲が好ましい。圧子も同様の温度に加熱してもよい。
【００２４】
また、エッチングは、フッ酸を含むエッチング液を用いることが好ましい。エッチング液におけるフッ酸の濃度は、用いるガラス種に応じて適宜設定すればよく、特に限定されるものではない。具体的には、１０ｐｐｍ〜１０％程度の濃度範囲とするエッチング液の温度については、フッ酸が発煙性であるので、作業環境の観点からは常温が好ましい。なお、エッチング速度を大きくしたいときには、必要に応じてエッチング液を加温するとよい。
【００２５】
次に、試作した例について説明する。
（試作例１）
（１−１）アルミノシリケートガラス基板上に、超硬バイトを圧子として、室温で、荷重１９６Ｎ（２０ｋｇｆ）、走査速度９６０ｍｍ／ｓの条件で走査し、流路内の堰になる部位に線状の応力影響残留部を形成した。
（１−２）上記の線状の応力影響残留部に対して垂直な方向に交差するように、市販のカミソリ刃を圧子として、室温で、荷重２．３Ｎ（２３０ｇｆ）、走査速度９６０ｍｍ／ｓの条件で、長さ５０ｍｍにわたって２本平行に間隔１００μｍで走査し、流路壁となる部位に線状の応力影響残留部を形成した。
（１−３）このガラス基板を、０．３％ＨＦを含むエッチング液（液温４０℃）中に３０分浸漬し、エッチングした。応力印加の影響を受けていない基板面は、この条件で約９μｍエッチングされていた。
（１−４）エッチング後の形状を測定したところ、流路壁となる土手の高さ（流路の深さ）が約３μｍであり、流路内の堰の高さは約１μｍであった。
【００２６】
なお、このとき使用したアルミノシリケートガラス基板のガラス組成は、質量％で表示して、以下のようであった（以下に述べる試作例２、３も同様である）。
ＳｉＯ2：６３％、Ａｌ2Ｏ3：１６％、Ｎａ2Ｏ：１１％、Ｌｉ2Ｏ：４％、ＭｇＯ：２％、ＣａＯ：４％
【００２７】
この方法は図１に対応しており、最終的に得られたマイクロ流路の形状は、模式的には図１のＢのようになる。なお、上記（１−１）の工程と（１−２）の工程の順序を変えても、エッチング後の形状は同じであった。また（１−１）の工程と（１−２）の工程により応力影響残留部が交差した部分でもエッチング後に流路壁となる土手の高さは変わらなかった。
【００２８】
（試作例２）
（２−１）アルミノシリケートガラス基板上に、市販のカミソリ刃を圧子として室温で、荷重２．３Ｎ（２３０ｇｆ）、走査速度９６０ｍｍ／ｓの条件で、長さ５０ｍｍ走査し、流路内の堰になる部位に線状の応力影響残留部を形成した。
（２−２）上記の線状の応力影響残留部に対して垂直な方向に交差するように、表面保護被膜剤（シリテクトII（商品名）、トライレイナー社製）を１００μｍの間隔で流路壁となる部位に塗布しマスクを形成した。
（２−３）このガラス基板を、０．３％ＨＦを含むエッチング液（液温４０℃）中に３０分浸漬し、エッチングした。応力印加の影響を受けていない基板面は、この条件で約９μｍエッチングされていた。
（２−４）エッチング後の形状を測定したところ、流路壁の高さ（流路の深さ）が約９μｍであり、流路内の堰の高さは約３μｍであった。
【００２９】
この方法は図２に対応しており、最終的に得られたマイクロ流路の形状は、模式的には図２のＣのようになる。このような形状になる理由は、次の通りである。
（ａ）２箇所に形成したマスクの間の幅１００μｍの領域からエッチングが進み、この領域が流路となる。ＨＦによるエッチングは等方的なので、マスクの下の部位も横方向から徐々にエッチングされる。しかし、応力印加した部位はエッチングされ難いので、この部分はエッチングされずに残る。その結果、「流路の側壁から突出した部位」（符号ｐで示す）ができる。
（ｂ）また、マスクの間の幅１００μｍの領域にある応力印加した部位は、流路内の他の部位よりもエッチングされ難いので、「流路の側壁から突出した部位」（符号ｐで示す）よりは低いが、流路内で堰となる。
【００３０】
（試作例３）
（３−１）ガラス基板として、アルミノシリケートガラスを用い、第１ガラス基板上に、市販のカミソリ刃を圧子として、室温で、荷重２．３Ｎ（２３０ｇｆ）、走査速度９６０ｍｍ／ｓの条件で、長さ５０ｍｍにわたって２本平行に間隔１００μｍで走査し、流路壁となる部位に線状の応力影響残留部を形成した。
（３−２）第２ガラス基板上に、超硬バイトを圧子として、室温で、荷重１９６Ｎ（２０ｋｇｆ）、走査速度９６０ｍｍ／ｓの条件で走査し、流路内の堰になる部位に線状の応力影響残留部を形成した。
（３−３）この２枚のガラス基板を、０．３％ＨＦを含むエッチング液（液温４０℃）中に３０分浸漬し、エッチングした。応力印加の影響を受けていない基板面は、この条件で約９μｍエッチングされていた。
（３−４）エッチング後の形状を測定したところ、第１ガラス基板に形成された流路壁となる土手の高さ（流路の深さ）が約３μｍであり、第２ガラス基板に形成された堰の高さは約１μｍであった。
（３−５）この２枚のガラス板を、第１ガラス基板の流路壁の内側に、第２ガラス基板の堰が位置するように、正確に位置決めしながら、貼り合わせてパイプ状流路を有するマイクロ流路を作製した（図１０のＡ参照）。
【００３１】
なお、試作例３では、第１ガラス基板に流路を形成し、第２ガラス基板に機能性微細構造である堰を形成した。しかし、これに限られることなく、表１に示すような組み合わせが可能である。
【００３２】
【表１】
2005230647.tif 000003
【００３３】
前述した図６において、Ａは表１に示した組合せ例１の場合であり、Ｂは組合せ例５の場合であった。さらに、図１０は各組合せ例における一断面を示している。図１０において、Ａは上述の試作例３の組合せ例であり、表１に示した組合せ例２の場合である。Ｂは組合せ例３、Ｃは組合せ例４、Ｄは組合せ例６の場合であり、ＥはＤの変形例である。図中のＤとＥにおいて、下側の基板に形成した流路壁は、パイプ状流路の一部を構成するだけでなく、上側の基板に形成した溝部と協働して、上下の基板を貼り合わせる際の位置決めを容易にする効果を有する。なお、図１０において、流路としては土手形式の例を示したが、掘り下げ形式の流路であってもよいことは、いうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明方法の一実施例を示す説明図。
【図２】本発明方法の他の実施例を示す説明図。
【図３】流路の形状の例を示す平面図。
【図４】流路内に形成する微細構造の一例を示す説明図。
【図５】微細構造の形状の例を示す平面図。
【図６】流路構造の側面の例を示す説明図。
【図７】本発明方法の一実施例を示す説明図。
【図８】本発明方法の他の実施例を示す説明図。
【図９】本発明方法の更に他の実施例を示す説明図。
【図１０】ガラス基板表面に形成する流路と微細構造の組合せを示す説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ガラス基板
１２  流路形成領域
１４  第１の応力影響残留部
１６  第２の応力影響残留部
２０  流路壁
２２  流路
２４  堰状の微細構造
【図１】
2005230647.tif 000004
【図２】
2005230647.tif 000005
【図３】
2005230647.tif 000006
【図４】
2005230647.tif 000007
【図５】
2005230647.tif 000008
【図６】
2005230647.tif 000009
【図７】
2005230647.tif 000010
【図８】
2005230647.tif 000011
【図９】
2005230647.tif 000012
【図１０】
2005230647.tif 000013